Nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng của dây nano sno2 ứng dụng cho cảm biến khí (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trịnh Minh Ngọc NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG TỰ ĐỐT NÓNG CỦA DÂY NANO SnO2 ỨNG DỤNG CHO CẢM BIẾN KHÍ Ngành: Khoa học vật liệu Mã số: 9440122 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2020 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Duy PGS.TS Nguyễn Ngọc Trung Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi … …., ngày … tháng … năm …… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Ha Minh Tan, Chu Manh Hung, Minh Ngoc Trinh, Hugo Nguyen, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Van Duy, Nguyen Van Hieu ( 2017), Novel self-heated gas sensors using on-chip networked nanowires with ultralow power consumption, ACS Appl Mater Interfaces, (7), pp 6153–6162 [IF2016: 7.50] Nguyen Kien, Chu Manh Hung, Trinh Minh Ngoc, Dang Thi Thanh Le, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Van Duy, Nguyen Van Hieu (2017), Low-temperature prototype hydrogen sensors using Pd-decorated SnO2 nanowires for exhaled breath applications, Sensors and Actuators B 253, 156–163 [IF2016: 5.40] Trinh Minh Ngoc, Chu Manh Hung, Nguyễn Ngọc Trung, Nguyen Van Duy (SPMS2017), Enhanced Hydrogen sensitivity of Self-heating sensor using SnO2 nanowires networkby Pd catalyst, Proceeding of the 10th Vietnam national conference on solid state physics and materials science, pp 376-379 Trinh Minh Ngoc, Hugo Nguyen, Chu Manh Hung, Nguyen Ngoc Trung, Nguyen Van Duy (ACCS2017), Self-heating H2S gas sensor using a network of SnO2 nanowires functionalized with Ag, Proceeding of The 12 th Asian Conference on Chemical Sensors, Pages 350-353 Trinh Minh Ngoc, Nguyen Van Duy, Chu Manh Hung, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Ngoc Trung, Hugo Nguyen and Nguyen Van Hieu (2018), Ultralow power consumption gas sensor based on a self-heated nanojunction of SnO2 nanowires, RSC Adv., 8, 36323-36330 [IF2018: 3.04] Trinh Minh Ngoc, Nguyen Van Duy, Chu Manh Hung, Nguyen Duc Hoa, Hugo Nguyen, Matteo Tonezzer, Nguyen Van Hieu (2019), Self-heated Ag-decorated SnO2 nanowires with low power consumption used as a predictive virtual multisensor for H2S-selective sensing, Analytica Chimica Acta 1069, 108-116 [IF2018: 5.25] Trinh Minh Ngoc, Nguyen Van Duy, Nguyen Duc Hoa, Chu Manh Hung, Hugo Nguyen, Nguyen Van Hieu (2019), Effective design and fabrication of low power consumption self-heated SnO2 nanowires sensors for reducing gases, Sensors and Actuators B Chemical, vol.295, pp 144-152 [IF2018: 6.39] GIỚI THIỆU CHUNG Lý chọn đề tài Với phát triển cơng nghệ sản xuất micro, cảm biến khí bán dẫn có nhiệt tỏa mơi trường lượng tiêu thụ nhỏ trước Tuy nhiên, có số yếu điểm tốc độ đáp ứng chậm, thời gian hồi phục lâu, tính ổn định tính chọn lọc Vật liệu nano kích thước chiều kế thừa thuận lợi hệ trước, bổ xung thêm tính chất giá thành thấp, kích thước bé, độ ổn định cao, công suất tiêu thụ nhỏ cải thiện ba tính chất hạn chế loại cảm biến khí ơxít kim loại bán dẫn độ nhạy, độ chọn lọc độ bền Tuy nhiên, dựa cấu trúc cảm biến khí truyền thống kiểu lò vi nhiệt màng nhạy khí riêng lẻ, cảm biến dây nano tiêu thụ cơng suất tương đối lớn độ chọn lọc Trong đề xuất nghiên cứu này, tiến hành nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng khả biến tính bề mặt dây nano SnO2 nhằm kết hợp chúng việc phát triển hệ cảm biến khí với nhiều tính ưu việt so với cảm biến khí truyền thống Hiệu ứng tự đốt nóng thực cách áp dòng điện trực tiếp qua đơn sợi, đa sợi tập hợp nhiều dây nano dạng lưới (network) q trình đo tín hiệu Dây nano chế tạo chủ yếu phương pháp bốc bay nhiệt linh kiện loại chế tạo công nghệ vi điện tử truyền thống Bề mặt dây nano biến tính với loại hạt xúc tác nano thích hợp phương pháp lắng đọng vật lý hóa học Việc kết hợp hiệu hai hiệu ứng cho phép phát triển hệ cảm biến khí có độ chọn lọc cao tiêu thụ cơng suất Ngoài sở để phát triển ma trận cảm biến khí sở vật liệu dây nano dùng làm mũi điện tử (e-nose) Các cảm biến chế tạo được sử dụng để đo phát loại khí độc hại môi trường NO2, CO, H2S SO2 nồng độ phần tỉ Với vấn đề trình bày trên, chọn đề tài nghiên cứu luận án “Nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng dây nano SnO2 ứng dụng cho cảm biến khí” Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo cảm biến khí mạng lưới dây nano SnO2 hoạt động sở hiệu ứng tự đốt nóng có kích thước nhỏ công suất hoạt động nhỏ 10 mW, đảm bảo thông số độ nhạy, độ chọn lọc cao hoạt động ổn định - Tối ưu hóa xúc tác hạt nano kim loại ph hợp với khí cần nghiên cứu cho có độ đáp ứng cao hiệu ứng tự đốt nóng giảm điện áp làm việc cho cảm biến - Hoàn thiện thử nghiệm hoạt động cảm biến chế tạo mạch đo sử dụng hiệu ứng tự đốt nóng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Chế tạo cảm biến mạng lưới dây nano oxit bán dẫn SnO2 phương pháp bốc bay nhiệt mọc trực tiếp lên điện cực - Khảo sát hoạt động nhạy khí cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 dựa hiệu ứng tự đốt nóng Phƣơng pháp nghiên cứu - Điện cực cảm biến chế tạo công nghệ vi điện tử quang khắc, phún xạ, ăn mòn - Vật liệu dây nano SnO2 chế tạo phương pháp lắng đọng hóa học sử dụng vật liệu nguồn bột Sn - Hình thái, vi cấu trúc vật liệu nghiên cứu phương pháp phân tích hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM), nhiễu xạ điện tử chọn lọc vùng (SAED), nhiễu xạ tia X (XRD) phổ tán xạ lượng tia X (EDX) - Biến tính vật liệu dây nano SnO2 hạt nano kim loại tiến hành thông qua trình phún xạ màng mỏng kim loại lên bề mặt dây SnO2 sau tiến hành xử lý nhiệt độ cao - Chíp cảm biến phù hợp lựa chọn để gắn lên mạch điện tử xem tảng cho thiết kế thiết bị đo Các đặc trưng nhạy khí cảm biến tiếp tục khảo sát mạch đo Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng nghiên cứu cảm biến khí lần thực Việt nam Tính luận án góp phần nhỏ để mở hướng nghiên cứu lĩnh vực nghiên cứu cảm biến khí Việc giảm công suất hoạt động thiết bị nhằm tiết kiệm lượng xu hướng tất yếu tất ngành lĩnh vực Một phần kết đạt luận án nhận từ việc sử dụng mạch đo dự định cho việc đóng gói cảm biến, điều minh chứng rõ nét cho tính thực tiễn đề tài Nhóm nghiên cứu cố gắng đơn giản hóa quy trình, điều kiện chế tạo cho tiết kiệm chi phí để giảm giá thành Những đóng góp đề tài - Đã chế tạo hệ điện cực có cấu trúc phù hợp cho cảm biến hoạt động dựa hiệu ứng tự đốt nóng; vật liệu dây nano SnO2 chế tạo phương pháp lắng đọng hóa học sử dụng vật liệu nguồn bột Sn Sử dụng mạng lưới dây nano SnO2 tự đốt nóng chế tạo thành cơng cảm biến đáp ứng vi khớ NO2 cụng sut 10 ữ 100àW Khi hoạt động dải cơng suất ÷ 32 mW cảm biến đáp ứng với khí C2H5OH - Xác định cơng suất đốt nóng mạng lưới dây nano SnO2 phù hợp để chế tạo cảm biến khí NO2, C2H5OH, H2S số loại khí khác H2, NH3, CH3COCH3 có độ nhạy, thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục, độ ổn định tương ứng - Chế tạo thành cơng cảm biến tự đốt nóng mạng lưới dây nano SnO2 biến tính kim loại Ag, cảm biến có khả phát nồng độ khí H2S từ 0,25 ppm công suất hoạt động thấp ÷ 10 mW - Sau tích hợp cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 biến tính kim loại Ag vào modun di động, đề xuất ba phương pháp bản: phương pháp đồ thị rađa (Rada plot), phương pháp phân tích thành phần (PCA – Principle Component Analysis) phương pháp phân tích khác biệt tuyến tính (LDA – Linear Discriminat Analysis) để mơ hoạt động cảm biến đa cảm biến, có khả nhận dạng hỗn hợp nhiều loại khí H2, NH3, C2H5OH, CH3COCH3 H2S Cấu trúc luận án: Luận án bố cục thành bốn chương CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết việc đốt nóng cảm biến khí 1.1.1 Cấu trúc vùng lƣợng, nguyên lý hoạt động vai trò nhiệt độ Khi tăng nhiệt độ nồng độ hạt tải tăng nhanh [11-13], làm thay đổi độ dẫn vật liệu Độ dẫn vật liệu bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ báo cáo Barsan [15] Để dẫn điện hạt dẫn phải vượt qua hai lớp nghèo biên hạt, tính chất nhạy khí phụ thuộc vào mối tương quan bề dầy lớp nghèo đường kính dây [16] 1.1.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến phản ứng bề mặt Q trình động hóa học diễn khí thử bề mặt vật liệu phản ứng oxy hóa khử, tốc độ phản ứng tăng theo nhiệt độ [13,17] Có nhiều nghiên cứu chứng minh chế phản ứng bề mặt phụ thuộc nhiệt độ[18-21].Với loại oxit bán dẫn có nhiệt độ hoạt động tối ưu [22] 1.2 Công suất tiêu thụ cảm biến khí 1.2.1 Yêu cầu giảm công suất tiêu thụ chế tạo cảm biến Thu nhỏ kích thước đồng thời giảm cơng suất tiêu thụ giúp cho việc ứng dụng cảm biến khí ngày phong phú 1.2.2 Ứng dụng công nghệ để giảm c ng suất tiêu thụ cảm iến Cảm biến có kích thước lớn làm tăng cơng suất tiêu thụ [32] Công suất tiêu thụ cảm biến xác định tập trung vào lò vi nhiệt [33,34] Nếu giảm tổn thất nhiệt trình hoạt động giúp làm giảm công suất tiêu thụ [36,37] Công nghệ MEMS bước tiến lớn việc thu nhỏ kích thước sản phẩm điện tử 1.3 Cảm biến khí ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng 1.3.1 Hiệu ứng tự đốt nóng Joule truyền nhiệt Lựa chọn dây nano SnO2 làm đối tượng nghiên cứu, Strelcov cộng tính nhiệt lượng Joule sinh dây nano theo phương trình [59] ( ) (1.9) 1.3.2 Cảm biến ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng tình hình nghiên cứu Có nhiều dạng vật liệu nhạy khí khác nghiên cứu ứng dụng cho cảm biến khị tự đốt nóng Cảm biến khí tự đốt nóng dạng màng mỏng Công bố Salehi cho thấy vật liệu nhạy khí màng mỏng SnO2 nên tổn thất nhiệt lớn công suất tiêu thụ lớn [60] Cảm biến khí tự đốt nóng sở carbon nanotube graphene Vật liệu nhạy khí sợi nano cacbon sử dụng để đo đặc trưng nhạy khí NO2, NH3 độ ẩm công suất thấp [67] Trên sở vật liệu graphene, Yeon Hoo Kim cộng chế tạo cảm biến tự đốt nóng hoạt động nhạy khí NO2 [70] Cảm biến tự đốt nóng sở dây nano Do tổn thất nhiệt cảm biến dạng đơn dây nano, nên chế tạo cảm biến hoạt động nhiệt độ cao mà công suất tiêu thụ siêu thấp cỡ từ µW xuống pW [71-73], có thời gian đáp ứng, hồi phục nhanh [67,74,75] Cảm biến dạng đơn dây nano quy trình, kỹ thuật chế tạo phức tạp đắt tiền [44] Cảm biến tự đốt nóng mạng lưới dây nano Phương pháp mọc trực tiếp dây nano kiểu bắc cầu xem phương pháp ph hợp chế tạo cảm biến khí thương mại Tính chất nhạy khí cảm biến định tiếp xúc dây – dây nên có độ nhạy cao [81] Nhóm nghiên cứu Ning Sheng Xu nghiên cứu chế tạo cảm biến khí mạng lưới W18O49 biến tính Pt lên bề mặt dây Kim cộng chế tạo cảm biến dựa mạng lưới dây nano cấu trúc lõi – vỏ SnO2 – ZnO biến tính hạt nano Pt [86] (a) (b) Hình 1.18 Ý tưởng nghiên cứu phát triển cảm biến tự đốt nóng  Thay đổi hình thái cấu trúc điện cực  Chế tạo vật liệu nhạy khí có hình thái thích hợp cho hiệu ứng tự đốt nóng  Biến tính vật liệu nhạy khí kim loại quý 1.4 Kết luận chƣơng Tác giả tổng kết cách khái quát số nội dung có liên quan mật thiết tới vấn đề nghiên cứu mà mục tiêu đề tài đặt  Sự cần thiết việc phải đốt nóng cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn kiểu thay đổi độ dẫn  Kỳ vọng xu hướng công nghệ nghiên cứu cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn nhằm giảm công suất tiêu thụ cảm biến  Tổng quan tình hình nghiên cứu cảm biến khí ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng giới, sở để dánh giá tiềm ứng dụng thực tiễn cảm biến loại hình Đồng thời cần khắc phục tránh hạn chế, phát huy hướng có lợi nghiên cứu cơng bố CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Hình thái ƣớc chế tạo điện cực 2.1.1 Hình thái điện cực Có hai loại điện cực nghiên cứu chế tạo cho cảm biến ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng Hình 2.1 Cấu hình điện cực cảm biến loại I 2.1.2 Hình 2.2 Hình thái cảm biến G Quy trình chế tạo điện cực Các cặp điện cực tạo thủy tinh với kích thước 15 mm x 10 mm, có chiều dày 500 µm cơng nghệ vi điện tử thông thường Trong cấu trúc lớp Au (10nm) chất xúc tác cho phát triển dây nano SnO2 Với thiết kế này, dây nano SnO2 phát triển từ rìa điện cực Hình 2.3 Các bước chế tạo điện cực cho cảm biến loại G 2.2 Công nghệ chế tạo dây nano SnO2 2.2.1 Thiết bị vật tƣ cần thiết Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ bốc bay nhiệt năm ngang Thiết bị sử dụng để chế tạo dây nano SnO2 hệ bố bay nhiệt nằm ngang Các loại vật tư hóa chất gồm có: loại bia kim loại tinh khiết, bột thiếc kim loại tinh khiết, ống, thuyền thạch anh chịu nhiệt, khí O2, Ar tinh khiết hóa chất cần thiết khác 2.2.2 Thực nghiệm chế tạo dây nano SnO2 Mạng lưới dây nano SnO2 mọc trực tiếp lên điện cực phương pháp bốc bay nhiệt (CVD) Nhóm nghiên cứu tiến hành phản ứng nhiệt độ 700 ºC, 715 ºC, 730 ºC; thời gian trì phản ứng 10 phút 20 phút 2.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu hình thái vật liệu Sử dụng phương pháp hiển vi quang học để nghiên cứu hình thái sản phẩm cảm biến Sau đấy, sử dụng kỹ thuật phân tích cao cấp FE-SEM, HR-TEM, SAED 2.2.4 Một số yếu tố ảnh hƣởng tới hình thái vật liệu Nhóm nghiên cứu khảo sát theo hai thơng số nhiệt độ thời gian trì phản ứng 2.3 Hệ đo tính chất nhạy khí phƣơng pháp thực nghiệm 2.3.1 Hệ đo tính chất nhạy khí Hình 2.9 Sơ đồ thuật toán cho phương pháp đo ổn định công suất Cảm biến hoạt động dựa hiệu ứng tự đốt nóng khảo sát đặc trưng nhạy khí cơng suất khác nhau, thiết bị K2602A Keithley kết nối với máy tính điều khiển thông qua phần mềm điều khiển cài đặt máy tính Tuy nhiên, q trình khảo sát đặc trưng nhạy khí cảm biến phải trì cơng suất giá trị không đổi cho cảm biến hoạt động 2.3.2 Phƣơng pháp đo tính chất nhạy khí cảm biến tự đốt nóng Trong nghiên cứu nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp đo tĩnh Để có nồng độ khí cần thiết để đo pha lỗng từ khí ban đầu theo cơng thức: ( ) (2.1) 2.4 Biến tính mạng lƣới dây nano SnO2 Chúng sử dụng phương pháp phún xạ để biến tính bề mặt dây nano SnO2 hạt Ag kim loại Hình 2.10 Mạng lưới dây nano trước (a) sau (b) phún xạ Kết luận chƣơng Trong chương này, tác giả trình bày chi tiết trình chuẩn bị bước thực nghiệm việc chế tạo cảm biến Các điều kiện thông số kỹ thuật tối ưu khảo sát đưa phần 2.5 Chế tạo dây mạng lưới dây nano SnO2 điều kiện nhiệt độ thấp Dây nano SnO2 chế tạo có cấu trúc đơn tinh thể, thích hợp cho cảm biến tự đốt 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng mạng lƣới dây nano SnO2 tới công suất hoạt động đáp ứng khí cảm biến Hình 3.10 Đáp ứng khí cảm biến với 0,1 ppm NO2 công suất khác nhau: cảm biến G2-S1 (a), cảm biến G2S2 (b) Hình 3.12 Thời gian đáp ứngvà thời gian hồi phục cảm biến với 0,1 ppm NO2 công suất khác nhau: cảm biến G2-S1 (a), cảm biến G2-S2 (b) Hình thái cảm biến G2-S1 cho thấy, mật độ dây nano SnO2 thấp nhiều so với mật độ dây nano cảm biến G2-S2 Nồng độ 0,1 ppm khí NO2 khảo sát cảm biến G2-S1 hoạt động dải công suất μW – 100 μW; Cảm biến G2-S2 dải 100 μW – mW Điện trở hai cảm biến tăng lên mơi trường khí NO2 Cảm biến khí G2-S1, công suất μW đáp ứng với NO2 1,1; giá trị đáp ứng cao 1,7 công suất 50 μW Cảm biến khí G2-S2 có đáp ứng tốt với khí NO2, đáp ứng lớn cảm biến đạt 3,5 lần công suất 0,1 mW, giá trị đáp ứng thấp phạm vi khảo sát công suất mW, khoảng 1,5 lần Kết cho thấy hai cảm biến có thời gian đáp ứng nhanh thời gian hồi phục Thời gian hồi đáp cảm biến tăng công suất làm việc tăng Hình 3.13 Đáp ứng hai cảm biến nồng độ khí khác (a), độ lặp lại năm chu kỳ hai cảm biến (b) Đáp ứng cảm biến G2-S1 tương ứng với nồng độ khí (1,27/1,55/1,84/2,45) thấp khơng nhiều so với đáp ứng cảm biến G2-S2 nồng độ khí (1,95/2,21/2,74/3,20) Hai cảm biến cho thấy khả phân biệt hai nồng độ khí có thay đổi thấp 0,15 ppm Sự thay đổi kết đo lặp lại với chù kỳ không đáng kể (dưới 5%) 10 Cảm biến G2-S1 khơng có đáp ứng với 2000 ppm C2H5OH 100 µW nên chúng tơi dừng lại với cảm biến Với cảm biến G2-S2, đáp ứng với 2000 ppm C2H5OH công suất 1,5 mW mW phân biệt, công suất 2,5 mW cho đáp ứng tương đối nhanh, độ đáp ứng 1,25 Ở công suất mW độ đáp ứng tăng lên 1,6 Cảm biến bắt đầu đáp ứng với 10 ppm H2S công suất mW, nhiên thời gian đáp ứng dài, khoảng 400 giây Ở công suất 1,5 mW thời gian đáp ứng cải thiện đáng kể Hình 3.15 Đáp ứng cảm biến G2-S2 với khí khử: C2H5OH (a), H2S (b) Kết nghiên cứu tính chất nhạy khí hai cảm biến G2-S1 G2-S2 cho thấy, mật độ dây nano thưa nguồn vi nhiệt tiếp xúc dây – dây cho phép cảm biến đáp ứng với khí NO2 cơng suất siêu thấp, mật độ mạng lưới dây lớn, công suất tiêu thụ lớn cho phép đáp ứng với khí khử 3.3 Tối ƣu điều kiện chế tạo mạng lƣới dây nano SnO2 cho phát triển cảm biến khí khử tự đốt nóng cơng suất thấp 3.3.1 Tác động cơng suất tới độ ổn định mạng lƣới dây nano Để xác định cơng suất mà mạng lưới dây nano bị phá hủy, liên tục ghi lại giá trị điện trở tăng công suất cấp cho cảm biến đến cảm biến bị hỏng Anh SEM cảm biến bị hỏng biểu diễn Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.16 Sự phụ thuộc điện trở theo thời gian công suất khác hai cảm biến G2-S1 G2S2 (a,c) ảnh SEM tương ứng hai cảm biến sau bị hỏng (b,d) Đối với cảm biến G2-S1, tăng cơng suất lên 500 µW, cảm biến bị hỏng Ảnh SEM G2-S1 bị phá hủy cơng suất 500 µW hiển thị Hình 3.15(b) G2-S2 bị hỏng cơng suất mW Ảnh SEM G2-S2 bị hỏng hiển thị Hình 3(d) Kết cho thấy mật độ dây nano SnO2 dầy có cơng suất cần cho phá hủy cao Hình 3.16 biểu diễn cảm biến chíp cảm biến S3 bị phá hủy tăng công suất lớn Khi tăng công suất hoạt động, nhiệt độ hoạt động tăng, điện trở cảm 11 biến giảm xuống tính chất bán dẫn vật liệu dây nano Như với chíp cảm biến S3 mật độ dây nano SnO2 dầy nhiều so với hai chíp cảm biến S1 S2 có xu hướng giống Dựa thay đổi điện trở cảm biến tăng công suất hoạt động, cho cảm biến hỏng dần trước tiếp xúc đứt hồn tồn Hình 3.17 Sự phụ thuộc điện trở theo thời gian công suất khác cảm biến G2-S3, G5-S3, G10-S3 G20-S3 (a,c,e,g) ảnh SEM tương ứng cảm biến sau bị hỏng (b,d,f,h) 3.3.2 Đặc trƣng nhạy khí khử theo công suất hoạt động cảm biến mạng lƣới dây nano Chúng tơi tiến hành nghiên cứu tính chất nhạy khí C2H5OH dải nồng độ từ 250 - 2000 ppm Đáp ứng cảm biến G2-S3 với nồng độ 2000 ppm mW thấp (khoảng 1,1), chúng tơi lựa chọn cơng suất 10 mW, 12 mW, 14 mW 18 mW để khảo sát tính chất nhạy khí cảm biến G2-S3 Mức lượng thấp tương ứng với cảm biến G5S3, G10-S3 G20-S3 mà cho đáp ứng khí mw, mW Hình 3.19 Sự phụ thuộc điện trở theo thời gian công suất khác cảm mW Độ đáp ứng biến đáp ứng với khí C2H5OH nồng độ bốn cảm biến tăng tăng 250 ppm, 500 ppm, 1000 ppm 2000 ppm: G2-S3 (a), G5-S3 (b), G10-S3 (c) G20-S3 cơng suất nồng độ khí (d) Cảm biến chế tạo điều kiện nhiệt độ Độ đáp ứng cảm biến o 730 C thời gian 20 phút G20-S3 lớn công suất hoạt động thấp ba cảm biến lại 12 Kết đáp ứng khí bốn cảm biến chưa có dạng hình chng (Hình 3.20), nghĩa nhiệt độ hoạt động cảm biến chưa đạt tới giá trị tối ưu Chúng tăng tiếp công suất để đạt giá trị tối ưu nhiệt độ gây phá hủy mạng lưới dây nano SnO2 Hình 3.20 Giá trị đáp ứng khí (Rair/Rgas) hàm nồng độ khí C2H5OH công suất khác cảm biến: G2-S3 (a), G5-S3 (b), G10-S3 (c) G20-S3 (d) Đặc tính nhạy khí cảm biến G20-S3 chúng tơi nghiên cứu sâu loại khí H2, NH3¸và H2S để so sánh tính chất nhạy khí với C2H5OH cơng suất hoạt động 10 mW (Hình 3.21) Cảm biến đáp ứng tốt với tất khí thử Thời gian đáp ứng nhanh, khoảng 15 giây, thời gian tương đương với thời gian đáp ứng cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 biến tính hạt Pd hoạt động nhiệt độ từ 300 oC đến 400 oC có tích hợp lò nhiệt ngồi mà chúng tơi Hình 3.21 Sự phụ thuộc nghiên cứu cơng bố Cảm biến có điện trở theo thời gian công suất 10 mW cảm biến thể phát khí H2S dải nồng G20-S3 đáp ứng với khí: độ thấp, khí lại nồng độ C2H5OH (250 ppm - 2000 H2 (100 ppm - 1000 cao khoảng mười lần Đáp ứng với ppm)(a), ppm)(b), NH3 ( 100 ppm - 1000 khí C2H5OH cao so với khí H2 ppm)(c) H2S (1 ppm - 10 ppm) NH3, chứng tỏ cảm biến G20-S3 (d) phù hợp cho việc phát khí H2S C2H5OH Hình 3.23 Độ lặp lại cảm biến G20-S3 công suất hoạt động 10 mW sau sáu chu kỳ Hình 3.22 Độ đáp ứng cảm biến G20-S3 với nồng độ khác khí C2H5OH, H2, NH3 H2S công suất hoạt động 10 mW 13 Sau sáu chu kỳ với khí C2H5OH nồng độ 2000 ppm, độ đáp ứng chu kỳ gần thay đổi đáng kể, chứng tỏ cảm biến có độ ổn định tốt (Hình 3.23) 3.3.3 Định tính nhiệt độ hoạt động cảm biến thơng qua công suất hoạt động Bằng cách sử dụng camera hồng ngoại chúng tơi ghi lại hình ảnh rõ ràng cảm biến G2-S3 cấp nguồn Tuy nhiên, chúng tơi khơng thu hình ảnh nhiệt hồng ngoại cảm biến G20-S3 Cảm biến Hình 3.25 Ảnh nhiệt G20-S3 có lợi để phát khí H2 hồng ngoại cảm biến tự đốt nóng G2-S3 cơng loại khí nổ khác suất hoạt động 18 mW 3.4 Kết luận Chƣơng Với kết nghiên cứu chúng tơi trình bày, phân tích luận giải cho phép rút số kết luận sau:  Cấu trúc điện cực nghiên cứu phát triển cho cảm biến tự đốt nóng mạng lưới dây nano SnO2 hồn toàn ph hợp cho phương pháp bốc bay nhiệt Các dây nano mọc từ rìa điện cực mọc mà không mọc lên bề mặt điện cực, mật độ dây nano giảm nên cơng suất hoạt động cảm biến giảm  Chế tạo cảm biến tự đốt nóng mạng lưới dây nano SnO2 hoạt động nhạy khí NO2 cơng suất thấp thời gian đáp ứng thời gian hồi phục nhanh  Giải thích chế hoạt động, chế phá hủy mạng lưới dây nano cảm biến tự đốt nóng mạng lưới dây nano SnO2 Trên sở khuyến nghị dải cơng suất hoạt động ph hợp cho cảm biến  Đưa bước công nghệ chế tạo cảm biến mạng lưới dây nano ph hợp với hoạt động nhạy khí khử cơng suất thấp Đặc biệt, q trình nghiên cứu hoạt động nhạy khí khử, thơng qua việc điều khiển công suất hoạt động cho cảm biến, phạm vi dải công suất làm việc, với cảm biến nhận biết nhiều loại khí khác CHƢƠNG 4: PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN TỰ ĐỐT NĨNG MẠNG LƢỚI DÂY NANO SnO2 BIẾN TÍNH BẠC CHO NHẠY KHÍ H2S So với nguyên tố kim loại quý khác Pd, Pt Au nguyên tố Ag xem kim loại có giá trị Tuy 14 nhiên, hoạt tính xúc tác hạt nano Ag biết đến với khả phản ứng chọn lọc với khí H2S nồng độ thấp nhiệt độ 200 °C [114,126,127] Đặc biệt, Ag nguyên tố có khả khử khuẩn, chống độc ứng dụng rộng rãi lĩnh vực y học từ lâu đời [131] 4.1 Cảm biến khí tự đốt nóng mạng lƣới dây nano SnO2 biến tính Ag Cảm biến chế tạo theo điều kiện tối ưu nghiên cứu với nhiệt độ mọc dây SnO2 730 ºC, thời gian giữ nhiệt 20 phút (S3) Mạng lưới dây nano SnO2 biến tính Ag theo phương pháp phún xạ công suất 10 W Thời gian phún xạ khảo sát điều kiện 10, 20, 40 80 giây để kiểm soát mật độ hạt nano Ag bám dính lên dây nano SnO2 Sau phún xạ mẫu xử lý nhiệt cách ủ 500 ºC thời gian Bảng 4.1 Ký hiêu cảm biến sau biến tính Ag điều kiện khác Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ đo nhạy khí với chế độ cơng suất khơng đổi a) chế độ dòng khơng đổi b) Chúng sử dụng hai hệ đo độc lập để khảo sát tính chất nhạy khí cảm biến Hệ thứ hệ xây dựng phần thực nghiệm mô tả Hệ thứ hai nghiên cứu phát triển nguyên mẫu cho thiết bị đo sau 4.1.1 Hình thái vật liệu sau biến tính Trên Hình 4.2, hình thái bề mặt dây nano SnO2 đính hạt nano Ag sau ủ Mật độ hạt nano Ag bề mặt dây nano SnO2 tăng theo thời gian phún xạ Các mẫu phún xạ thời gian 40 giây 80 giây nghiên cứu chi tiết với ảnh TEM Hình 4.2 Ảnh SEM cảm biến sở dây nano SnO chế tạo nhiệt độ 730 °C, thời gian 20 phút với sau biến tính Ag ủ nhiệt 500 °C thời gian giờ: thời gian phún xạ 10 giây (a), thời gian phún xạ 20 giây (b), thời gian phún 15 xạ 40 giây (c) thời gian phún xạ 80 giây (d) Ảnh TEM phân giải cao chụp vị trí hạt nano Ag, khoảng cách hai mặt phẳng mạng tinh thể liên tiếp đo 0,23 nm Giá trị ph hợp với khoảng cách mặt tinh thể (220) Ảnh nhiễu xạ điện tử v ng lựa chọn cho thấy có hiện diện hai mạng tinh thể (Hình chèn vào Hình 4.3d), bao gồm mặt phẳng (101) SnO2 mặt phẳng (220) Ag2O, Hình 4.3d Hình 4.3 Ảnh TEM cảm biến phún xạ 40 giây (a), phún xạ 80 giây (b); Ảnh TEM phân giải cao (c) nhiễu xạ điện tử vùng chọn lọc tập trung vào hạt nano xúc tác nano kim loại Ag (d) Kết nghiên cứu phá hủy cảm biến ST20(G10-S3) từ mW đến 20 mW cho thấy, xu hướng hoạt động giống cảm biến trước biến tính Khi tăng cơng suất lên 20 mW, điện trở cảm biến tăng lên khoảng 100 k khoảng Hình 4.5 Sự phụ thuộc điện trở thời gian công suất khác thời gian 10 giây sau tăng theo cảm biến ST20(G10-S3) vượt thang đo Điều cho ảnh SEM cảm biến trước sau thấy cảm biến bị phá hủy (Hình bị hỏng (các ảnh thêm vào) 4.5) Khi công suất mW cấp cho cảm biến có nguồn nhiệt mờ khoảng hai điện cực (Hình 4.6a) Khi tăng cơng suất lên 16 mW nguồn nhiệt phát sáng rõ ràng nhiều (Hình 4.6b) tăng công suất lên 20 mW nguồn nhiệt hồn tồn, cơng suất cơng suất phá hủy mạng lưới dây nano SnO2 Hình 4.6 Ảnh phát xạ nhiệt hồng ngoại cảm biến tự đốt nóng cơng suất cung cấp khác nhau: mW (a), 16 mW (b) 20 mW (c) 4.1.2 Nghiên cứu hoạt động nhạy khí cảm biến tự đốt nóng biến tính bạc 16 Chúng chọn cảm biến G10-S3 để khảo sát điều kiện phún xạ Ag tối ưu xác định công suất phá hủy cho cảm biến Sau phún xạ Ag thời gian 10, 20, 40 80 giây chúng tơi có bốn cảm biến ký hiệu ST10(G10-S3), ST20(G10-S3), ST40(G10-S3) ST80(G10-S3) Tính chất nhạy khí H2S nghiên cứu dải cơng suất từ mW - 10 mW, nồng độ khí khảo sát 0,5 ppm Trên Hình 4.7(a-d) cho thấy, điện trở cảm biến giảm tăng công suất hoạt động Các cảm biến cho thấy đáp ứng với khí H2S Hình 4.8 Độ đáp ứng bốn cảm biến ST10(G10-S3), ST20(G10-S3), ST40(G10-S3) ST80(G10-S3) công suất khác với nồng độ 0,5 ppm khí H2S Hình 4.7 Sự phụ thuộc điện trở theo thời gian công suất khác với nồng độ 0,5 ppm khí H2S bốn cảm biến: ST10(G10-S3)(a), ST20(G10-S3)(b), ST40(G10-S3)(c) ST80(G10-S3)(d) Đáp ứng khí cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 tăng lên gấp lần sau biến tính 5nm Ag Vì vậy, cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 sau biến tính bới hạt nano Ag lên bề mặt khơng làm tăng độ đáp ứng mà làm giảm nhiệt độ làm việc cảm biến Hình 4.10 Thời gian đáp ứng (a) thời gian hồi phục (b) bốn cảm biến ST10(G10-S3), ST20(G10-S3), ST40(G10-S3) ST80(G10-S3) công suất khác với nồng độ 0,5 ppm khí H2S Kết nghiên cứu thời gian đáp ứng hồi phục cho thấy, trường hợp cảm biến hoạt động công suất thấp, thời gian đáp ứng cảm biến giảm mật độ hat nano Ag2O tăng, công suất mW thời gian đáp ứng cảm biến ST10(G10-S3) ~ 150 giây, thời gian đáp ứng cảm biến ST80(G10-S3) ~ 80 giây Trong ứng dụng cho thực tế, giá trị độ đáp ứng, thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục phải xác định mật độ xúc tác Ag cho công suất hoạt động cảm ph hợp Trong điều kiện khảo sát lựa chọn công suất hoạt động cho cảm 17 biến mW, thời gian đáp ứng thời gian hồi phục cảm biến khoảng 15 giây 110 giây Chúng nghiên cứu tính chất nhạy khí cảm biến ST10(G10-S3), ST20(G10-S3), ST40(G10-S3) ST80(G10S3) công suất hoạt động mW theo thay đổi nồng độ khí H2S (0,25 - 2,0 ppm) Cả bốn cảm biến cho thấy khả đáp ứng với tất nồng độ khí nồng độ khí cao độ đáp ứng lớn (Hình 4.10) Hình 4.11 Độ đáp ứng cảm biến ST10(G10-S3), ST20(G10-S3), ST40(G10-S3) ST80(G10-S3) theo nồng độ khí H2S khác cơng suất mW (a), độ đáp ứng cảm biến biểu diễn hàm nồng độ khí (b) Khảo sát đáp ứng khí theo mật độ dây công suất khác cho thấy điện trở cảm biến giảm công suất tăng, giá trị công suất lựa chọn khảo sát tính chất nhạy khí cho đáp ứng với nồng độ 0,5 ppm khí H2S, độ đáp ứng tăng tăng cơng suất hoạt động cảm biến (Hình 4.12) Hình 4.12 Sự phụ thuộc điện trở theo thời gian công suất khác với nồng độ 0,5 ppm khí H2S cảm biến: ST20(G2S3)(a), ST20(G5-S3)(b) ST20(G20-S3)(c) Độ đáp ứng cảm biến ST20(G10-S3) có giá trị cao tất giá trị cơng suất so với ba cảm biến lại Cả thời gian đáp ứng thời gian hồi phục giảm tăng công suất hoạt động cho cảm biến (Hình 4.13) Hình 4.13 Độ đáp ứng bốn cảm biến ST20(G2-S3), ST20(G5-S3), ST20(G10-S3) ST20(G20-S3) công suất khác với nồng độ 0,5 ppm khí H2S Thời gian hồi phục cảm biến ST20(G20-S3) công suất thấp nhanh nhất, nghĩa mật độ hạt nano Ag thấp Hình 4.14 Hình 4.14 Thời gian đáp ứng (a) thời gian hồi phục (b) bốn cảm biến ST20(G2-S3), ST20(G5-S3), ST20(G10-S3) ST20(G20S3) cơng suất khác với nồng độ 0,5 ppm khí H2S 18 Nghiên cứu tính chất nhạy khí cảm biến ST20(G2-S3), ST20(G5-S3), ST20(G10-S3) ST20(G20-S3) công suất hoạt động mW, bốn cảm biến cho thấy khả đáp ứng với tất nồng độ khí, nồng độ khí cao độ đáp ứng lớn, giá trị đáp ứng tuyến tính dải đo (Hình 4.15(a,b)) Hình 4.15 Độ đáp ứng cảm biến ST20(G2-S3), ST20(G5S3), ST20(G10-S3) ST20(G20-S3) theo nồng độ khí H2S khác công suất mW (a), độ đáp ứng cảm biến biểu diễn hàm nồng độ khí (b) Cảm biến ST20(G10-S3) cho giá trị đáp ứng cao giải nồng độ khí H2S khảo sát, chúng tơi lựa chọn cảm biến cho nghiên cứu Kết đo lặp lại công suất với 0,5 ppm khí H2S Hình 4.16, độ lặp lại ổn định Vì cảm biến có khả hoạt động thời gian đủ dài để xác định nồng độ khí H2S Hình 4.16 Độ lặp lại cảm biến ST20(G10-S3) sau mười chu kỳ đóng/mở với 0,5 ppm khí H2S cơng suất làm việc mW Độ lặp lại kết đo sau thời gian bốn tháng (Hình 4.17) chấp nhân được, giá trị độ lệch hai kết đo c ng nồng độ < % Hình 4.17 Độ đáp ứng biểu diễn hàm nồng độ khí cảm biến ST20(G10-S3) sau thời gian bốn tháng với 0,5 ppm khí H2S cơng suất làm việc mW 4.2 Phát triển cảm biến tự đốt nóng cho ứng dụng phân tích khí 4.2.1 Kỹ thuật đo thiết bị cảm biến ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng Cảm biến ST20(G10-S3) lựa chọn để gắn với mơ đun di động Dòng điện 0,4 mA cấp cho cảm biến, cơng suất tiêu thụ ước tính vào khoảng mW Điện áp thay đổi đo điện trở Rref thay đổi điện trở cảm biến tiếp xúc với nồng độ khí H2S khác gây ra, nồng độ khí H2S dải từ 0,25 - ppm Hình 4.18 cho thấy điện áp đầu đo Rref đáp ứng cảm biến với nồng độ khí H2S khác Khi tiếp xúc với khí H2S nồng độ 0,25 ppm; 0,5 ppm; ppm ppm điện 19 áp đầu đo mơi trường khơng khí giảm từ 1000 mV xuống giá trị tương ứng 200 mV, 240 mV, 300 mV 400 mV Hình 4.19 Sự thay đổi điện áp theo thời gian với nồng độ khí khác cảm biến ST20(G10-S3) dòng điện cấp cho cảm biến 0,4 mA Hình 4.20 Đáp ứng theo điện áp cảm biến ST20(G10-S3) với khí C2H5OH, H2 NH3 dòng điện cấp cho cảm biến 0,4 mA Độ chọn lọc cảm biến nghiên cứu với 1000 ppm khí C2H5OH, 500 ppm khí NH3 500 ppm khí H2 Đáp ứng cao khí H2S dòng điện cấp cho cảm biến 0,4 mA Hình 4.21 Đáp ứng theo điện áp cảm biến ST20(G10-S3) với khí C2H5OH, H2 NH3 dòng điện cấp cho cảm biến mA Tăng công suất hoạt động cho cảm biến lên đến 10 mW, tương ứng với việc cấp dòng điện cho cảm biến hoạt động mA, nồng độ khí khảo sát tăng lên 1000 ppm khí NH3, 1000 ppm khí H2, 500 ppm khí C2H5OH % khí CH3COCH3 Kết biểu diễn Hình 4.20 cho thấy, mặc d đáp ứng điện áp không cao nhiên đủ để cảm nhận có mặt khí cần phải phát Hình 4.22 Độ đáp ứng theo điện áp cảm biến ST20(G10-S3) độ ẩm khác với 0,5 ppm khí H2S dòng điện khơng đổi 0,4 mA Chúng tơi tiến hành đo tính chất nhạy khí cảm biến điều kiện dòng điện khơng đổi 0,4 mA, với 0,5 ppm khí H2S độ ẩm 55 % 70% Kết Hình 4.21 cho thấy, độ ẩm tăng làm cho điên áp đầu giảm nhẹ nhiên đáp ứng đầu gần khơng thay đổi Hình 4.22 Độ lặp lại cảm biến ST20(G10-S3) sau bảy chu kỳ đóng/mở với 0,5 ppm khí H2S dòng điện cấp khơng đổi 0,4 mA Qua kết đo lặp lại bảy chu kỳ đóng/mở với 0,5 ppm khí H2S điều kiện dòng điện cấp cho cảm biến khơng đổi 0,4 mA Hình 4.22 Kết độ lặp 20 lại ổn định khơng có thay đổi nhiều điện áp đầu 4.2.2 Hoạt động mô đa cảm biến ứng dụng cho phân tích khí cảm biến tự đốt nóng Bảng 4.2 Độ đáp ứng cảm biến ST20)G10-S3) nồng độ khác loại khí khác tương ứng với dòng điện cấp cho cảm biến hoạt động khác Để phân tích hỗn hợp khí chúng tơi sử dụng ba phương pháp phương pháp đồ thị rada, phương pháp phân tích khác biệt tuyến tính (LDALinear Discriminat Analysis) phương pháp phân tích thành phần (PCAPrinciple Component Analysis) Đồ thị rada dạng đồ thị cho phép biểu diễn kết đạt nhiều biến đầu vào khác quan hệ hàm số với nhau, hình dạng đồ thị cho phép đánh giá xu hướng, khác biệt đối tượng nghiên cứu Trong hai phương pháp LDA PCA hai phương pháp phân tích định tính sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau, tính đơn giản hiệu qủa hai phương pháp phân tích liệu thống kê nhiều chiều Cảm biến ST20(G10-S3) lựa chọn để phân tích hỗn hợp gồm khí NH3, H2, C2H5OH, CH3COCH3 H2S Kết biểu diễn Bảng 4.2 Số chiều không gian ta có chiều (loại khí, nồng độ dòng điện), liệu thu ba công suất hoạt động có 60 điểm Kết Hình 4.24, đồ thị rada biểu diễn độ đáp ứng nồng độ loại khí dòng điện khác Hình 4.24 Các đồ thị rada cảm biến ST20(G10S3) với khí NH3, H2, C2H5OH, CH3COCH3 H2S dòng điện 0,6 mA, 0,8 mA mA Hình dạng hai khí NH3 C2H5OH gồm hình tam giác tương đối cân xứng; hình tam giác khí CH3COCH3, khí H2, khí H2S tương đối khác Chứng tỏ với việc d ng đồ thị rada biểu diễn có khả phân biệt bốn khí hỗn hợp năm khí đầu vào 21 Sử dụng phương pháp LDA kết thu biểu diễn Hình 4.25 Cảm biến phân biệt năm loại khí khác hỗn hợp Tuy nhiên có nồng độ khí C2H5OH bị nhầm sang khí NH3 biểu diễn ma trận nhầm lẫn Hình 4.25 Đồ thị LDA (a) ma trận nhầm lần (b) nhận dạng năm khí cảm biến ST20(G10-S3) dòng điện 0,6 mA, 0,8 mA mA Biểu diễn tập liệu không gian ba chiều phương pháp PCA ta thấy cảm biến phân biệt hồn tồn năm loại khí (Hình 4.26) Hình 4.26 Đồ thị PCA cảm biến ST20(G10-S3 dòng điện 0,6 mA, 0,8 mA mA Để tiên lượng nồng độ khí có hỗn hợp, chúng tơi sử dụng phương pháp hồi quy máy hỗ trợ véc-tơ (SVM) Phương pháp cho thấy khả phân loại cảm biến khẳng định thông qua ma trận nhầm lẫn (Bảng 4.3), điều giúp cho việc tiên lượng (prediction) nồng độ khí hỗn hợp khí ban đầu rễ dàng Bảng 4.3 Mà trận nhầm lẫn nhận từ phương pháp hồi quy máy hỗ trợ véc-tơ cảm biến ST20(G10-S3 dòng điện 0,6 mA, 0,8 mA mA Kết biểu diễn Hình 4.27 cho thấy cảm biến tiên lượng nồng độ khí tốt Hình 4.27 Nồng độ dự đoán so với nồng độ thực tế năm khí đo Kết luận Chƣơng Kết nghiên cứu, khảo sát tính chất nhạy khí cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 biến tính kim loại Ag đưa đến kết luận sau: 4.3 22  Với bước công nghệ đơn giản chế tạo cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 biến tính kim loại Ag Cảm biến hoạt động dựa hiệu ứng tự đốt nóng đáp ứng với khí khử H2S, cơng suất hoạt động cảm biến nằm khoảng – 10 mW  Cảm biến chế tạo tích hợp vào thiết bị di động để phát khí H2S nồng độ thấp (0,25 ppm), cơng suất tiêu thụ cảm biến nhỏ mW  Với khả đáp ứng nhiệt nhanh, cảm biến hoạt động đa cảm biến (hoạt động công suất khác nhau) giúp xác định thành phần hỗn hợp khí, với sai số cảm biến chấp nhận Với khả cảm biến, cảm biến có tiềm ứng dụng lĩnh vực IoT lĩnh vực khác KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ Luận án cơng trình nghiên cứu dựa phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, bước đầu đề suất nguyên mẫu cho thiết bị cảm biến khí hoạt động sở ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng, tiến tới làm chủ công nghệ, kỹ thuật chế tạo cảm biến hiệu ứng tự đốt nóng tiết kiệm lượng, bảo vệ mơi trường, kiểm sốt vệ sinh an tồn thực phẩm Kết nghiên cứu nhận cho phép rút số kết luận sau: - Phát triển điện cực có cấu trúc ph hợp, chế tạo mạng lưới dây nano SnO2 phương pháp bốc bay nhiệt mọc trực tiếp lên điện cực cho hiệu cao đồng thời có khả lặp lại tốt Kỹ thuật cho phép kiểm soát mật độ dây nano cách ph hợp với mục đích nhạy khí khác - Đã chế tạo thành cơng cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 hoạt động dựa hiệu ứng tự đốt nóng Cảm biến thể khả phát khí NO2 nồng độ 0,1 ppm với công suất hoạt động 100 W Đặc biệt với mật độ dây nano SnO2 thưa cảm biến đáp ứng tốt với 0,1 ppm khí NO2 cơng suất 10 W, thời gian đáp ứng khoảng 15 giây thời gian hồi phục khoảng 90 giây - Đã chế tạo cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 tự đốt nóng có khả nhạy với khí khử cơng suất hoạt động thấp, cảm biến đáp ứng với khí C2H5OH công suất mW Trên sở kết nghiên cứu hoạt động nhạy khí khử làm sáng tỏ 23 vấn đề ảnh hưởng công suất hoạt động tới độ ổn định mạng lưới dây nano SnO2, đưa dải công suất hoạt động ph hợp cho cảm biến phụ thuộc vào mật độ mạng lưới dây nano SnO2 Các công suất giới hạn tương ứng với cảm biến G2-S3, G5-S3, G10S3 G20-S3 khoảng 32, 26, 20 16 mW - Với công nghệ, kỹ thuật chế tạo đơn giản chế tạo thành công cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 biến tính kim loại Ag Cảm biến có khả phát khí H2S nồng độ thấp (0,25 ppm) công suất hoạt động cảm biến thấp (2-10 mW) Với khả cảm biến cho thấy tiềm ứng dụng cảm biến lĩnh vực kiểm soát vệ sinh an toàn thực phẩm - Chứng minh khả hoạt động cảm biến mạng lưới dây nano SnO2 biến tính kim loại Ag sau tích hợp vào mô đun di động, công suất hoạt động cảm biến thấp ~ mW Cảm biến có khả hoạt động đa cảm biến, có khả phân tích nhận dạng hỗn hợp gồm nhiều loại khí khác Tuy nhiên, bên cạch kết thực luận án hạn chế tính định hướng độ bền mạng lưới dây nano SnO2 Chính hạn chế gợi mở hướng nghiên cứu tiếp theo: - Tiếp tục nghiên cứu công nghệ, kỹ thuật chế tạo điện cực cho kiểm sốt hướng phát triển mật độ dây nano - Nghiên cứu khả pha tạp vào vật liệu nguồn Sn để tạo vật liệu nhạy khí có độ bền cao mà đáp ứng yêu cầu mong muốn - Tiếp tục nghiên cứu hồn thiền mơ đun di động, hoàn thiện kỹ thuật đo hướng tới phát triển cảm biến thành đa cảm biến thực thụ nhận dạng, phân tích hỗn hợp khí 24 ... tài nghiên cứu luận án Nghiên cứu hiệu ứng tự đốt nóng dây nano SnO2 ứng dụng cho cảm biến khí Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo cảm biến khí mạng lưới dây nano SnO2 hoạt động sở hiệu ứng tự đốt nóng. .. (1.9) 1.3.2 Cảm biến ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng tình hình nghiên cứu Có nhiều dạng vật liệu nhạy khí khác nghiên cứu ứng dụng cho cảm biến khị tự đốt nóng Cảm biến khí tự đốt nóng dạng màng... 1.3 Cảm biến khí ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng 1.3.1 Hiệu ứng tự đốt nóng Joule truyền nhiệt Lựa chọn dây nano SnO2 làm đối tượng nghiên cứu, Strelcov cộng tính nhiệt lượng Joule sinh dây nano